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Keramik Metall Verbund
Um die Komplexität eines Keramik-Metall-Verbundes zu erfassen, ist neben der Kenntnis der wichtigsten Werkstoffkennwerte das Grundverständnis verschiedener Werkstoffe entscheidend. Bei Keramik wird im Gegensatz zu Metallen der Begriff der Materialfestigkeit durch den Begriff Bruchwahrscheinlichkeit ersetzt.
Je größer das unter Zugbelastung stehende keramische Bauteilvolumen ist, desto höher ist die Bruchwahrscheinlichkeit. Der Grund dafür liegt darin, dass mit der Größe des Bauteils die Wahrscheinlichkeit von kritischen Fehlern im Material steigt. Neben der Regel, dass keramische Bauteile auf Druck und nicht auf Zug zu belasten sind, ist wichtig, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von keramischen Werkstoffen sich deutlich von Metallen unterscheiden. Dies muss bei der Auslegung von Verbund-Systemen sowohl hinsichtlich der Wärmedehnung bei der max. Einsatztemperatur als für den Fügeprozess berücksichtigt werden. Ein Beispiel soll zeigen welche entscheidenden Differenzen bei einer Temperaturerhöhung auftreten können.
Je größer das unter Zugbelastung stehende keramische Bauteilvolumen ist, desto höher ist die Bruchwahrscheinlichkeit. Der Grund dafür liegt darin, dass mit der Größe des Bauteils die Wahrscheinlichkeit von kritischen Fehlern im Material steigt. Neben der Regel, dass keramische Bauteile auf Druck und nicht auf Zug zu belasten sind, ist wichtig, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von keramischen Werkstoffen sich deutlich von Metallen unterscheiden. Dies muss bei der Auslegung von Verbund-Systemen sowohl hinsichtlich der Wärmedehnung bei der max. Einsatztemperatur als für den Fügeprozess berücksichtigt werden. Ein Beispiel soll zeigen welche entscheidenden Differenzen bei einer Temperaturerhöhung auftreten können.
Keramik Metall Verbund (Passung)
Es soll eine Hülse aus Al2O3-Keramik mittels einer Passung mit einer metallischen Welle verbunden werden. Der Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK) von Al2O3-Keramik (99,7%) unterscheidet sich mit α=7,3*10‐6 /K deutlich vom WAK von Edelstahl 1.4571 mit α=16,5*10‐6 /K. Bei einem Durchmesser von D=50mm der Stahl-Welle und einer Temperaturerhöhung um 100K ergibt sich eine Ausdehnung von 50mm*(16,5*10‐6/K)*100K = 0,083mm.
Für die Al2O3-Hülse ergibt sich eine Ausdehnung von 50mm*(7,3*10‐6/K)*100K = 0,037mm. Wird die Verbindung als enge Passung ausgelegt, so würde die größere Ausdehnung der metallischen Welle den Bruch der Keramikhülse verursachen. Diese Konstruktion ist somit nicht Keramik gerecht.
Ein Beispiel für einen geeigneten Keramik-Metall-Verbund ist die Pressverbindung zwischen einem keramischen Kern und einer metallischen Hülse. Um die Hülse über den mit Übermaß gefertigten keramischen Stab zu schieben, muss das Metall erwärmt werden. Beim Erkalten bildet sich eine Pressverbindung durch das Aufschrumpfen auf die Keramik. Da keramische Werkstoffe sehr gut Druckkräfte aufnehmen können ist dieses Konstruktionsprinzip prinzipiell für die Herstellung eines Keramik-Metall-Verbundes geeignet.
Für die Al2O3-Hülse ergibt sich eine Ausdehnung von 50mm*(7,3*10‐6/K)*100K = 0,037mm. Wird die Verbindung als enge Passung ausgelegt, so würde die größere Ausdehnung der metallischen Welle den Bruch der Keramikhülse verursachen. Diese Konstruktion ist somit nicht Keramik gerecht.
Ein Beispiel für einen geeigneten Keramik-Metall-Verbund ist die Pressverbindung zwischen einem keramischen Kern und einer metallischen Hülse. Um die Hülse über den mit Übermaß gefertigten keramischen Stab zu schieben, muss das Metall erwärmt werden. Beim Erkalten bildet sich eine Pressverbindung durch das Aufschrumpfen auf die Keramik. Da keramische Werkstoffe sehr gut Druckkräfte aufnehmen können ist dieses Konstruktionsprinzip prinzipiell für die Herstellung eines Keramik-Metall-Verbundes geeignet.
Keramik Metall Verbund (Verschraubung)
Die meist verbreitete kraftschlüssige Verbindung ist die Verschraubung. Auch diese lässt sich mit keramischen Werkstoffen realisieren. Bei Raumtemperatur lassen sich metallische Außengewindeträger problemlos in ein keramisches Innengewinde verschrauben.
Außengewinde in Keramik stellen allerdings quasi eine lange Kerbe bzw. einen Anriss in der Keramik dar. Deshalb sollte, wenn möglich der Radius im Kerbgrund möglichst groß sein, um die Gefahr einer Sollbruchstelle zu verringern. Sinnvoller und meist auch günstiger ist es wenn die Konstruktion soweit anpassbar ist, dass Standardschrauben aus Metall verwendbar sind oder metallischen Gewindebuchse in die Keramik eingeklebt oder eingelötet werden können.
Außengewinde in Keramik stellen allerdings quasi eine lange Kerbe bzw. einen Anriss in der Keramik dar. Deshalb sollte, wenn möglich der Radius im Kerbgrund möglichst groß sein, um die Gefahr einer Sollbruchstelle zu verringern. Sinnvoller und meist auch günstiger ist es wenn die Konstruktion soweit anpassbar ist, dass Standardschrauben aus Metall verwendbar sind oder metallischen Gewindebuchse in die Keramik eingeklebt oder eingelötet werden können.
Keramik Metall Verbund (Verkleben)
Organische Klebstoffe lassen sich in zwei Klassen einteilen. Bei den chemisch reagierenden Klebstoffen wird die Abbindung durch die Reaktionstypen Polymerisation, Polyaddition oder Polykondensation erreicht. Je nach Reaktionstyp unterscheidet man zusätzlich in kalt‐ und warmaushärtend, sowie in Ein‐ oder Zweikomponentensystemen. Bei physikalisch abbindenden Klebstoffen verdunstet das Lösungsmittel und die Grundstoffe härten aus.
Beim Kleben von Keramik‐Metall-Verbund-Bauteilen haben sich Kleber auf Epoxidharzbasis bestens bewährt. Diese zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:
Klebeverbindungen sollten nur auf Scherung, Zug oder Druck erfolgen.Biegebelastungen sollten vermieden werden. Wichtig ist die gründliche Reinigung und Aktivierung chemisch oder mechanisch der Klebeflächen. Es ist jedoch zu beachten, dass Klebeverbindungen mit organischen Klebstoffen einem Alterungsprozess unterliegen und in der Regel nicht über 150°C dauerhaft erhitzt werden sollten.
Geklebte Metall-Keramik-Verbundbauteile eignen sich aufgrund einer permanenten Ausgasung nicht für den Einsatz in der Vakuumtechnik.
Beim Kleben von Keramik‐Metall-Verbund-Bauteilen haben sich Kleber auf Epoxidharzbasis bestens bewährt. Diese zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:
- gute mechanische Eigenschaften
- gute chemische Beständigkeit
- geringe Schrumpfung beim Aushärten
- Durch den Einsatz von Füllstoffen auch für größere Klebespalte geeignet
- einfachen Verbindung unterschiedlicher Werkstoffe
Klebeverbindungen sollten nur auf Scherung, Zug oder Druck erfolgen.Biegebelastungen sollten vermieden werden. Wichtig ist die gründliche Reinigung und Aktivierung chemisch oder mechanisch der Klebeflächen. Es ist jedoch zu beachten, dass Klebeverbindungen mit organischen Klebstoffen einem Alterungsprozess unterliegen und in der Regel nicht über 150°C dauerhaft erhitzt werden sollten.
Geklebte Metall-Keramik-Verbundbauteile eignen sich aufgrund einer permanenten Ausgasung nicht für den Einsatz in der Vakuumtechnik.
Metall-Keramik- und Keramik-Keramik-Verbund (Löten mit Glasloten)
Zur gasdichten Verbindung von keramischen Bauteilen aber auch z.B. Platin-Keramik-Verbundbauteilen können Glaslote verwendet werden. Dieses Fügeverfahren zeichnet sich durch eine gute chemische Beständigkeit und Einsatztemperaturen abhängig von Glaslot bis ca. 1.000°C aus. Zum Verbinden mit Glaslot ist weder eine Schutzgasatmosphäre noch eine Metallisierung der Keramik notwendig.
Keramik Metall Verbund (Löten mit metallischen Loten)
Das Standardfügeverfahren bei Alumina Systems zur Herstellung von Keramik Metall Verbund ist das Verlöten von Keramik mit Metallen. Beim Löten diffundieren Atomen aus dem Lot in das Gitter des Werkstoffs und beim Löten von Metallen, auch von Atome des Werkstoffes in das Gefüge des Lotes. Entlang der Benetzungsfläche bildet sich eine mehr oder weniger stark ausgeprägte Diffusionszone aus. Der Werkstoff verbleibt dabei, anders als beim Schweißen, in festem Zustand.
Die Zahl der möglichen Verbindungspartner Keramik und Metall ist durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien stark eingeschränkt. Je größer der Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Keramik und Metall und Lot ist, desto höher sind Verbundspannungen, die beim Abkühlen der Lötverbindung entstehen.
Beim Löten von Keramik unterschiedet man zwei Verfahren:
Die Zahl der möglichen Verbindungspartner Keramik und Metall ist durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien stark eingeschränkt. Je größer der Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Keramik und Metall und Lot ist, desto höher sind Verbundspannungen, die beim Abkühlen der Lötverbindung entstehen.
Beim Löten von Keramik unterschiedet man zwei Verfahren:
- Passives Löten von Keramik
- Aktives Löten von Keramik
1. Passives Löten von Keramik Metall Verbund
Um ein ausreichendes Benetzungsverhalten des Lotes auf der Keramik zu ermöglichen, ist es notwendig die keramische Fläche vorher zu metallisieren. Hierfür wird z.B. mittels Siebdruck MoMn (Molybdän, Mangan) oder WMn (Wolfram, Mangan) Paste aufgebracht und bei ca. 1400°C unter Formier Gas (5% Wasserstoff, 95% Stickstoff) eingebrannt.
Diese Schicht hat zwei Funktionen. Das Mn-haltige Glas verbindet sich mit der Al2O3-Keramik. Die im Glas befindlichen metallischen Mo-Partikel stellen die Verbindung zum Metall her. Nach dem Einbrand wird die Metallisierungsschicht galvanisch mit Nickel überzogen. Das Ni hat ebenfalls mehrere Funktionen. Es schützt die Metallisierung vor Korrosion und ermöglicht eine gute Benetzbarkeit durch das metallische Lot.
Das Passiv-Löten von Keramik erfolgt je nach Metallpartner unter reduzierender Atmosphäre oder im Vakuum. Die gebräuchlichsten Passiv-Lote basieren auf Silber‐Kupfer Eutektikum.
Diese Schicht hat zwei Funktionen. Das Mn-haltige Glas verbindet sich mit der Al2O3-Keramik. Die im Glas befindlichen metallischen Mo-Partikel stellen die Verbindung zum Metall her. Nach dem Einbrand wird die Metallisierungsschicht galvanisch mit Nickel überzogen. Das Ni hat ebenfalls mehrere Funktionen. Es schützt die Metallisierung vor Korrosion und ermöglicht eine gute Benetzbarkeit durch das metallische Lot.
Das Passiv-Löten von Keramik erfolgt je nach Metallpartner unter reduzierender Atmosphäre oder im Vakuum. Die gebräuchlichsten Passiv-Lote basieren auf Silber‐Kupfer Eutektikum.
2. Aktives Löten von Keramik Metall Verbund
Eine zweite Möglichkeit des Lötens von Keramik ist die Verwendung von sogenannten Aktivloten. Diese enthalten z.B. Titan, Zirkonium oder Hafnium als reaktive Komponente. Aktivlote verbinden sich auch ohne Metallisierung mit der Keramik. Allerdings fließen Aktivlote im Vergleich zu passiven Loten kaum auf der keramischen Oberfläche. Somit bildet sich keine für die Verbundfestigkeit günstige Lotkehle aus. Auch wenn das Löten ohne Metallisierung günstiger erscheint, so wird für das Aktivlöten ein Hochtemperatur Vakuum- oder Edelgasofen benötigt.
Um beim Löten einen optimalen Lötspalt zu garantieren, dürfen sich Metall und Keramik während des Lötprozesses durch thermischen Ausdehnung nur geringfügig voneinander entfernen. Deshalb werden vorwiegend die Eisennickellegierungen, wie Ni42 (1.3917) oder Kovar (NiCo2918=1.3981) zum Verlöten mit Al2O3verwendet. Hier ist der Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizient zu Al2O3bei Raumtemperatur relativ gering. Hierdurch werden nur niedrige Verbundspannungen erzeugt. Somit werden hohe reproduzierbare Festigkeiten des Metall-Keramik-Verbundes von größer 200 MPa erreicht.
Diese Eisennickellegierungen lassen sich im weiteren Prozessen sehr gut mit Edelstählen verschweißen. Dies eröffnet eine große Vielzahl von an Anwendungsfeldern für Keramik-Metall-Verbundbauteile.
Um beim Löten einen optimalen Lötspalt zu garantieren, dürfen sich Metall und Keramik während des Lötprozesses durch thermischen Ausdehnung nur geringfügig voneinander entfernen. Deshalb werden vorwiegend die Eisennickellegierungen, wie Ni42 (1.3917) oder Kovar (NiCo2918=1.3981) zum Verlöten mit Al2O3verwendet. Hier ist der Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizient zu Al2O3bei Raumtemperatur relativ gering. Hierdurch werden nur niedrige Verbundspannungen erzeugt. Somit werden hohe reproduzierbare Festigkeiten des Metall-Keramik-Verbundes von größer 200 MPa erreicht.
Diese Eisennickellegierungen lassen sich im weiteren Prozessen sehr gut mit Edelstählen verschweißen. Dies eröffnet eine große Vielzahl von an Anwendungsfeldern für Keramik-Metall-Verbundbauteile.